FR2596775A1 - Hard multilayer coating produced by ion deposition of titanium nitride, titanium carbonitride and i-carbon - Google Patents

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Abstract

Hard multilayer coating produced by ion deposition. According to the invention the hard coating comprises firstly a layer of titanium nitride, then a layer of titanium carbonitride, then a layer of i-carbon. According to the invention the deposition of the various layers is performed in an ion deposition device under low pressure comprising a substrate-carrier cathode 8, a device for evaporating titanium 3 using an electron gun 5, gas delivery piping 10, 11, a gas ionisation filament 14 and a positively polarised third electrode 9. The deposition of titanium nitride is obtained by discharge in nitrogen and simultaneous evaporation of titanium. The progressive replacement of nitrogen by a hydrocarbon makes it possible to obtain the carbonitride deposit. The finish layer of i-carbon is deposited after the removal of the nitrogen and of the evaporation of titanium.

Description

Revêtement dur multicouches élaboré par dépôt ionique de nitrure de
titane, carbonitrure de titane et i-carbone.
Hard multilayer coating produced by ionic nitride deposition of
titanium, titanium carbonitride and i-carbon.

La présente invention concerne un revêtement dur multicouches élaboré par dépôt ionique et comportant une couche de nitrure de titane, et aussi un procédé pour la réalisation de ce revêtement et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. The present invention relates to a multilayer hard coating produced by ion deposition and comprising a layer of titanium nitride, and also to a method for producing this coating and to a device for carrying out this method.

On sait que par la combinaison de plusieurs couches de matériaux différents, on arrive à obtenir un revêtement composite dont les propriétés sont notablement améliorées par rapport à l'utilisation d'un seul de ces matériaux. We know that by combining several layers of different materials, we can obtain a composite coating whose properties are significantly improved compared to the use of only one of these materials.

Les revêtements constitués de matériaux durs, tels que carbure, ou nitrure de titane sont bien connus et largement utilisés dans l'industrie pour obtenir, soit des duretés superficielles accrues, soit une amélioration du coefficient de frottement, une meilleure protection contre la corrosion, et souvent une combinaison de ces effets favorables. Coatings made of hard materials, such as carbide, or titanium nitride are well known and widely used in the industry to obtain either increased surface hardnesses, an improvement in the coefficient of friction, better protection against corrosion, and often a combination of these favorable effects.

Les méthodes de réalisation de ces revêtements sont également bien connues et très diverses allant des procédés de dépôt chimique aux procédés de dépôt ionique, ceux-ci consistant, d'une façon générale, à projeter des ions des différents matériaux destinés à constituer le revêtement sur la surface du corps ou substrat à recouvrir. Les procedés de dépot ionique de carbure de titane et de nitrure de titane sont déjà mis en oeuvre à grande échelle dans l'industrie, par exemple pour le revêtement de l'arête tranchante des outils de coupe. The methods for producing these coatings are also well known and very diverse, ranging from chemical deposition methods to ion deposition methods, the latter generally consisting in projecting ions of the different materials intended to constitute the coating on the surface of the body or substrate to be covered. The processes for the ionic deposition of titanium carbide and titanium nitride are already used on a large scale in industry, for example for coating the cutting edge of cutting tools.

Les méthodes de dépôt ioniques sont elles-mêmes diverses par les conditions de mise en oeuvre et la. détermination des différents paramètres du dépôt tel que l'intensité du champ électrique, la pression de gaz régnant dans l'enceinte du dispositif, la température du substrat à recouvrir, et aussi l'ordre dans lequel s'effectue les dépôts dans des revêtements multicouches, ainsi que la nature des matériaux mis en oeuvre. The ionic deposition methods are themselves diverse in terms of the conditions of use and the. determination of the different deposition parameters such as the intensity of the electric field, the gas pressure prevailing in the enclosure of the device, the temperature of the substrate to be covered, and also the order in which the deposits are made in multilayer coatings , as well as the nature of the materials used.

Parmi les avantages du dépôt ou bombardement ionique, on peut citer une adhérence améliorée du revêtement sur le substrat, la formation de couches denses et uniformes, l'activation des transitions de phases ou des réactions chimiques, sans que la température du substrat s'élève considérablement, et enfin la réalisation de structures métastables, par exemple de mélanges atomiques sans restriction stoechiométrique. Among the advantages of ion deposition or bombardment, mention may be made of improved adhesion of the coating to the substrate, the formation of dense and uniform layers, the activation of phase transitions or chemical reactions, without the temperature of the substrate rising. considerably, and finally the production of metastable structures, for example of atomic mixtures without stoichiometric restriction.

On a pu ainsi réaliser expérimentalement le dépôt ionique de couches de carbone en phase métastable, dont les propriétés sont semblables à celles du diamant, ce carbone étant dénommé "i-carbone", pour rappeler le rôle essentiel des ions dans son procédé de préparation. L'article de C. Weissmantel, "Preparation,
Structure and properties of hard coatings on the basis of i-C and i-BN", paru dans "Thin Films from free atoms and particles" (Klabunde, Academic Press, 1985) décrit en détail les propriétés et procédés de préparation du i-carbone. Ce dernier présente des caractéristiques avantageuses, entre autres une très grande dureté, un coefficient de frottement bas, une résistance aux contraintes de compression considérable, et des propriétés anticorrosion remarquables.
It was thus possible to carry out experimentally the ionic deposition of layers of carbon in metastable phase, the properties of which are similar to those of diamond, this carbon being called "i-carbon", to recall the essential role of the ions in its preparation process. The article by C. Weissmantel, "Preparation,
Structure and properties of hard coatings on the basis of iC and i-BN ", published in" Thin Films from free atoms and particles "(Klabunde, Academic Press, 1985) describes in detail the properties and processes for the preparation of i-carbon. The latter has advantageous characteristics, among others a very high hardness, a low coefficient of friction, a considerable resistance to compressive stresses, and remarkable anticorrosion properties.

Par contre, la réalisation d'une parfaite adhérence du i-carbone sur un substrat métallique présente quelques difficultés. On the other hand, achieving perfect adhesion of the i-carbon to a metal substrate presents some difficulties.

L'invention a pour but de regrouper leS avantages des couches de i-carbone avec ceux des revêtements bien connus de nitrure de titane, tout en assurant une adhérence maximale des couches sur le substrat, et entre elles. Conformément à la présente invention, ce but est atteint du fait que le revêtement dur multicouches élaboré par dépôt ionique sur la surface d'un substrat et comprenant une couche de nitrure de titane TiN, comporte, en outre, sur ladite couche de TiN, d'abord, une couche de transition de carbonitrure de titane Ti(C,N), puis une couche de finition de i-carbone i-C. The object of the invention is to combine the advantages of the i-carbon layers with those of the well-known titanium nitride coatings, while ensuring maximum adhesion of the layers to the substrate, and to each other. In accordance with the present invention, this object is achieved by the fact that the multilayer hard coating produced by ionic deposition on the surface of a substrate and comprising a layer of titanium nitride TiN, further comprises, on said layer of TiN, d first, a transition layer of titanium carbonitride Ti (C, N), then a finishing layer of i-carbon iC.

Grâce à l'invention, on obtient un revêtement qui a simultanément une très grande dureté, un coefficient de frottement bas et de très bonnes propriétés anticorrosion, et qui de plus, a une adhérence sur le substrat considérablement renforcée. Thanks to the invention, a coating is obtained which simultaneously has a very high hardness, a low coefficient of friction and very good anticorrosion properties, and which moreover has a considerably reinforced adhesion to the substrate.

Il s'est avéré que dans cette disposition, la structure du i-carbone permet d'assurer une bonne liaison avec la couche sous-jacente. It turned out that in this arrangement, the structure of the i-carbon ensures a good bond with the underlying layer.

Selon une réalisation avantageuse de l'invention, le revêtement comprend, en outre, une couche de titane déposée entre le substrat et la couche de TiN. According to an advantageous embodiment of the invention, the coating further comprises a layer of titanium deposited between the substrate and the layer of TiN.

Le revêtement multicouches selon l'invention présente par la présence de i-C en couche extérieure, tous les avantages de celui-ci. En particulier, la dureté du revêtement est typiquement supérieure à 30 G.Pa (dureté Vickers) et peut atteindre et même dépasser 50 G.Pa, alors que la dureté des revêtements de TiN connus est seulement de l'ordre de 25 G.Pa. De même, le coefficient de frottement est inférieur à 0,1, et peut même atteindre 0,04, alors que le coefficient de frottement du TiN est de l'ordre de 0,2. De plus, la résistance à la corrosion a été notablement améliorée. The multilayer coating according to the invention has, by the presence of i-C in the outer layer, all the advantages of this. In particular, the hardness of the coating is typically greater than 30 G.Pa (Vickers hardness) and can reach and even exceed 50 G.Pa, while the hardness of known TiN coatings is only of the order of 25 G.Pa . Likewise, the coefficient of friction is less than 0.1, and can even reach 0.04, while the coefficient of friction of TiN is of the order of 0.2. In addition, the corrosion resistance has been significantly improved.

Les précédentes caractéristiques du revêtement selon l'invention rendent son utilisation particulièrement avantageuse dans le domaine des outils de coupe tels que forets et plaquettes de coupe grâce à sa dureté, pour des pièces mécaniques en mouvement relatif rapide pour réduire le frottement et l'usure. Les caractéristiques anticorrosion sont avantageuses pour la réalisation de couches dures, et protectrices sur des matériaux divers (métaux, céramique, verre, etc...). Le revêtement peut également être avantageusement utilisé comme couche inerte sur des implants médicaux. The previous characteristics of the coating according to the invention make its use particularly advantageous in the field of cutting tools such as drills and cutting inserts thanks to its hardness, for mechanical parts in rapid relative movement to reduce friction and wear. The anticorrosion characteristics are advantageous for the production of hard, protective layers on various materials (metals, ceramics, glass, etc.). The coating can also advantageously be used as an inert layer on medical implants.

De plus, selon l'épaisseur de la couche de i-C, la couleur du revêtement peut varier de la couleur or, pour des couches de i-C d'épaisseur inférieure à 0,5ym, à la couleur noire pour des épaisseurs de i-C supérieure à 2ym. Pour des épaisseurs intermédiaires, les couleurs sont rougeâtres ou bleuâtres. Dans tous les cas, un aspect brillant est observé. Ces dernières caractéristiques permettent la réalisation d'effets décoratifs, simultanément à la protection et la dureté apportées par le revêtement multicouches. In addition, depending on the thickness of the layer of iC, the color of the coating can vary from the color gold, for layers of iC of thickness less than 0.5ym, to the black color for thicknesses of iC greater than 2ym . For intermediate thicknesses, the colors are reddish or bluish. In all cases, a shiny appearance is observed. These last characteristics allow the realization of decorative effects, simultaneously with the protection and the hardness provided by the multilayer coating.

L'invention a également pour objet un procédé d'élaboration d'un revêtement dur multicouches par dépôt ionique comprenant le dépôt sur la surface d'un substrat, d'une couche de nitrure de titane, caractérisé en ce qu'on effectue ensuite, sur la couche de iiN, un dépôt ionique d'une couche de Ti(C,N), puis d'une couche de i-C. The subject of the invention is also a process for the preparation of a multilayer hard coating by ionic deposition comprising the deposition on the surface of a substrate, of a layer of titanium nitride, characterized in that one then performs, on the iiN layer, an ionic deposition of a Ti (C, N) layer, then an iC layer.

Plus particulièrement, selon le procédé, objet de l'invention, on effectue successivement
- le nettoyage du substrat par bombardement ionique obtenu par décharge dans un gaz inerte,
- le dépôt de la couche de titane par évaporation du titane en maintenant la décharge,
- le dépôt de la couche de nitrure de titane par remplacement progressif du gaz inerte par de l'azote,
- le dépôt de la couche de transition de carbonitrure de titane par remplacement progressif de l'azote par un hydrocarbure,
- le dépôt de la couche de i-carbone par arrêt de l'évaporation de titane et suppression de l'azote, et poursuite de la décharge dans l'hydrocarbure.
More particularly, according to the process which is the subject of the invention, successively is carried out
- cleaning the substrate by ion bombardment obtained by discharge in an inert gas,
- deposition of the titanium layer by evaporation of the titanium while maintaining the discharge,
- the deposition of the titanium nitride layer by gradual replacement of the inert gas with nitrogen,
the deposition of the titanium carbonitride transition layer by gradual replacement of nitrogen with a hydrocarbon,
- The deposition of the i-carbon layer by stopping the evaporation of titanium and removing nitrogen, and continuing the discharge in the hydrocarbon.

L'élaboration successive des différentes couches par dépôt ionique assure, en fait, une interpénétration atomique au niveau des interfaces entraînant un passage progressif d'une composition à la suivante, et en conséquence, une très bonne adhérence des couches entre elles. Le dépôt ionique de Ti (ou TiN) directement sur la surface du substrat assure, quant à lui, une "couche d'accrochage" améliorant l'adhérence du revêtement sur le. The successive preparation of the different layers by ion deposition in fact ensures atomic interpenetration at the interfaces, resulting in a gradual transition from one composition to the next, and consequently, very good adhesion of the layers to each other. The ionic deposition of Ti (or TiN) directly on the surface of the substrate provides, for its part, a "bonding layer" improving the adhesion of the coating on the.

substrat.substrate.

L'invention concerne également un dispositif de dépôt ionique pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, ce dispositif comprenant une enceinte étanche comportant un couvercle, et dans laquelle sont placés : une cathode porte-substrat entourée d'un écran, un dispositif d'évaporation du titane comportant un canon à électrons, des moyens d'alimentation en gaz, un écran mobile rétractable situé au-dessus du dispositif d'évaporation du titane, et des orifices reliés à une pompe à vide.Conformément à l'invention, cette enceinte est constituée de deux chambres superposées séparées par une cloison intermédiaire, chaque chambre comportant un orifice relié à une pompe à vide, le canon à électrons étant disposé au niveau de la platine intermédiaire et la chambre supérieure étant pourvue sur sa périphérie de solénoîdes. Un filament de tungstène chauffé par effet Joule est placé entre la cathode porte-substrat et l'écran mobile et une troisième électrode polarisée positivement est placée au-dessus dudi filament et sous ladite cathode. The invention also relates to an ion deposition device for implementing the above method, this device comprising a sealed enclosure comprising a cover, and in which are placed: a substrate-carrying cathode surrounded by a screen, a device titanium evaporator comprising an electron gun, gas supply means, a retractable movable screen located above the titanium evaporation device, and orifices connected to a vacuum pump. , this enclosure consists of two superimposed chambers separated by an intermediate partition, each chamber having an orifice connected to a vacuum pump, the electron gun being placed at the level of the intermediate plate and the upper chamber being provided on its periphery with solenoids . A tungsten filament heated by the Joule effect is placed between the substrate-carrying cathode and the movable screen and a third positively polarized electrode is placed above said filament and under said cathode.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description d'un mode particulier de l'invention qui va être faite en relation avec les dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est une représentation simplifiée en vue partiellement éclatée d'un dispositif de dépôt ionique conforme à l'invention ;
- la figure 2 est une vue de dessus d'une électrode du dispositif appelée troisième électrode, et d'un filament placé sous ladite troisième électrode montrant leur forme et disposition relative.
Other characteristics and advantages will appear in the description of a particular embodiment of the invention which will be made in relation to the appended drawings in which
- Figure 1 is a simplified representation in partially exploded view of an ion deposition device according to the invention;
- Figure 2 is a top view of an electrode of the device called the third electrode, and a filament placed under said third electrode showing their shape and relative arrangement.

On va d'abord décrire le dispositif de dépôt ionique de la figure 1, puis on détailiera les étapes caractéristiques du procédé mis en oeuvre grâce audit dispositif pour réaliser le revêtement dur multicouches de TiN, Ti(C,N) et i-C. We will first describe the ion deposition device of Figure 1, then we will detail the characteristic steps of the process implemented with said device to achieve the hard multilayer coating of TiN, Ti (C, N) and i-C.

Le dispositif de la figure 1 est un appareil de dépôt ionique comprenant entre autres les différents organes indispensables dans ce type d'appareil et connus par les dispositifs de l'art antérieur. En particulier, ne sont pas représentés les dispositifs auxiliaires et néanmoins indispensables au fonctionnement tels que pompes à vide, sources d'énergie électrique, sources des divers gaz, etc... ainsi que leurs moyens de commande et de contrôle. The device of FIG. 1 is an ion deposition apparatus comprising inter alia the various organs essential in this type of apparatus and known by the devices of the prior art. In particular, the auxiliary devices which are nevertheless essential for operation, such as vacuum pumps, sources of electrical energy, sources of the various gases, etc. are not shown, as well as their command and control means.

L'appareil de la figure 1 est constitué d'une enceinte 1 étanche en acier inox de forme cylindrique d'axe vertical. Cette enceinte 1 comprend une partie supérieure 18 et une partie inférieure 19, séparées par une platine intermédiaire 2. La partie supérieure 18 est fermée par un couvercle 17 qui supporte. les différents organes suivants, placés à l'intérieur de l'enceinte supérieure 18
- Au centre, une cathode porte-substrat 8 de forme générale cylindrique entourée par un écran 15 et dont la face inférieure, perpendiculaire à l'axe du dispositif supporte le substrat dont on réalise le revêtement. La cathode porte-substrat 8 ne présente pas de particularité notable par rapport aux cathodes connues et on ne la décrira pas plus en détail.On rappelle seulement que la cathode 8 est polarisée négativement par rapport à la masse de l'enceinte 1 sous une tension de quelques milliers de Volts.
The device of FIG. 1 consists of a sealed enclosure 1 made of stainless steel of cylindrical shape with a vertical axis. This enclosure 1 comprises an upper part 18 and a lower part 19, separated by an intermediate plate 2. The upper part 18 is closed by a cover 17 which supports. the following different organs, placed inside the upper enclosure 18
- In the center, a substrate-carrying cathode 8 of generally cylindrical shape surrounded by a screen 15 and the lower face of which, perpendicular to the axis of the device, supports the substrate which is coated. The substrate-carrying cathode 8 does not present any notable peculiarity compared to known cathodes and we will not describe it in more detail. We only recall that cathode 8 is negatively polarized with respect to the mass of enclosure 1 under a voltage of a few thousand Volts.

- Sous la cathode porte-substrat 8, une électrode, appelée troisième électrode 9, et sous celle-ci, un filament en tungstène 14 chauffé par effet Joule. - Under the substrate-carrying cathode 8, an electrode, called the third electrode 9, and under it, a tungsten filament 14 heated by the Joule effect.

- Des tuyauteries 10, 11 d'amenée des différents gaz, qui traversent le couvercle de manière étanche, sont reliées par leurs extrémités extérieures aux sources de gaz, non représentées, et qui débouchent dans l'espace situé sous ledit filament 14 et ladite troisième électrode. - Tubes 10, 11 for supplying the various gases, which pass through the cover in leaktight manner, are connected by their external ends to the gas sources, not shown, and which open into the space located under said filament 14 and said third electrode.

- Un écran 16 mobile rétractable commandé par une poignée rotative située au-dessus du couvercle 17, et prévu pour s'interposer entre le canon à électrons 5 et la cathode porte-substrat 8, en dessous des extrémités débouchantes intérieures des tuyauteries 10, 11. - A retractable mobile screen 16 controlled by a rotary handle located above the cover 17, and intended to be interposed between the electron gun 5 and the substrate-carrying cathode 8, below the internal through ends of the pipes 10, 11 .

Les fonctions de la troisième électrode 9, du filament 14. The functions of the third electrode 9, of the filament 14.

et de l'écran mobile 16, seront décrites de manière plus détaillée ci-après.and of the mobile screen 16, will be described in more detail below.

La partie supérieure 18 de l'enceinte 1 comporte également un orifice de pompage 7, destiné à être raccordé à une pompe à vide, pour obtenir le vide requis à l'intérieur de ladite partie supérieure 18. The upper part 18 of the enclosure 1 also comprises a pumping orifice 7, intended to be connected to a vacuum pump, in order to obtain the vacuum required inside said upper part 18.

Des solénoïdes 12, 13 sont disposés autour de la partie supérieure 18 en enroulements d'axe vertical, et sont destinés à créer un champ magnétique dans l'enceinte pour concentrer le plasma ionisé créé dans le processus lors de la décharge induite par la polarisation de la cathode porte-substrat. Solenoids 12, 13 are arranged around the upper part 18 in windings of vertical axis, and are intended to create a magnetic field in the enclosure to concentrate the ionized plasma created in the process during the discharge induced by the polarization of the substrate-carrying cathode.

La partie inférieure 19 de l'enceinte 1 comporte également un orifice de pompage 6, relié à une pompe à vide. A l'intérieur de cette partie, et fixée par des moyens adéquats sur la platine intermédiaire 2, se trouve le canon à électrons 5 et le dispositif d'évaporation du titane. Ces organes sont d'un type bien connu de l'art antérieur, et il n'en sera pas fait de description plus précise. Il est cependant rappelé que ces organes sont destinés dans le processus de dépôt ionique, à vaporiser le titane contenu dans le dispositif 3 par bombardement électronique. The lower part 19 of the enclosure 1 also includes a pumping orifice 6, connected to a vacuum pump. Inside this part, and fixed by suitable means on the intermediate plate 2, is the electron gun 5 and the titanium evaporation device. These organs are of a type well known in the prior art, and no further description will be made of them. It is however recalled that these organs are intended in the ion deposition process, to vaporize the titanium contained in the device 3 by electronic bombardment.

La platine 2 est percée d'un orifice obturable par une soupape 4, et susceptible de mettre en communication les parties supérieure 18 et inférieure 19. The plate 2 is pierced with an orifice closable by a valve 4, and capable of bringing the upper 18 and lower 19 parts into communication.

Par exemple, la soupape peut être ouverte pendant la mise au vide, au début du processus, par aspiration par l'orifice de pompage 6 de la partie inférieure, puis la soupape est fermée lars de l'introduction de gaz dans la partie supérieure 18, ce qui permet de conserver un vide beaucoup plus poussé dans la partie inférieure 19 que dans ladite partie supérieure 18. For example, the valve can be opened during the evacuation, at the beginning of the process, by suction through the pumping orifice 6 of the lower part, then the valve is closed during the introduction of gas into the upper part 18 , which makes it possible to maintain a much higher vacuum in the lower part 19 than in said upper part 18.

La séparation de l'enceinte 1 en deux parties est destinée à assurer un meilleur contrôle de la pression régnant dans chaque partie, et en conséquence, à créer un vide suffisant pour éviter les risques d'amorçage pouvant exister au niveau du canon à électrons en cas de présence gazeuse en quantité trop importante. The separation of the enclosure 1 into two parts is intended to ensure better control of the pressure prevailing in each part, and consequently, to create a sufficient vacuum to avoid the risks of initiation which may exist at the level of the electron gun in excessively large amount of gas.

On va maintenant résumer brièvement le principe du dépôt ionique en basse pression. Après avoir fait un vide poussé dans l'enceinte, on introduit un gaz sous une faible pression, de l'ordre de 10 2 Pa, et une décharge est réalisée par application d'une tension négative (quelques milliers de Volts) par rapport à la masse de l'enceinte à la cathode porte-substrat. Les ions positifs du plasma ainsi créé sont alors accélérés et projetés sur la cathode. Dans le cas de la présente invention, ces ions proviennent, soit du titane vaporisé par le canon à électrons, soit du gaz- introduit dans l'enceinte et dont l'ionisation est effectuée par les électrons libérés par une cathode chaude (constituée ici par le filament 14). We will now briefly summarize the principle of ionic deposition at low pressure. After making a high vacuum in the enclosure, a gas is introduced under a low pressure, of the order of 10 2 Pa, and a discharge is carried out by application of a negative voltage (a few thousand volts) relative to the mass of the enclosure to the substrate-carrying cathode. The positive ions of the plasma thus created are then accelerated and projected onto the cathode. In the case of the present invention, these ions come either from titanium vaporized by the electron gun, or from gas- introduced into the enclosure and whose ionization is carried out by the electrons released by a hot cathode (here constituted by filament 14).

Le dépôt ionique sur le substrat est formé d'une couche de matériau correspondant aux ions projetés. On comprend aisément que l"'accrochage" sur le substrat dépend de l'énergie des ions projetés et donc de la tension cathode, et de la pression gazeuse. The ionic deposit on the substrate is formed by a layer of material corresponding to the projected ions. It is easily understood that the "hooking" on the substrate depends on the energy of the projected ions and therefore on the cathode voltage, and on the gas pressure.

Si la tension augmente et la pression diminue, l'énergie des ions augmente et leur fixation sur le substrat est plus tenace.If the voltage increases and the pressure decreases, the energy of the ions increases and their fixation on the substrate is more tenacious.

Toutefois, si l'énergie devient trop importante, il se produit un effet de décapage par des ions qui ne se fixent pas. Cet effet est utilisé, comme on le verra plus loin, pour nettoyer ce substrat, avant dépôt.However, if the energy becomes too great, there is a pickling effect by ions which do not bind. This effect is used, as will be seen below, to clean this substrate, before deposition.

La fonction du filament 14 est d'émettre des électrons pour ioniser le gaz introduit dans la partie supérieure 18 de l'enceinte 1. Les électrons émis par le filament traversent la zone de plasma créée autour de la cathode chaude (filament 14) plusieurs fois avant d'atteindre la grille d'anode constituée par la troisième électrode 9, laquelle est polarisée positivement par rapport à la masse de l'enceinte. The function of the filament 14 is to emit electrons to ionize the gas introduced into the upper part 18 of the enclosure 1. The electrons emitted by the filament pass through the zone of plasma created around the hot cathode (filament 14) several times before reaching the anode grid constituted by the third electrode 9, which is positively polarized with respect to the mass of the enclosure.

Confcrmément à l'invention, la troisième électrode 9, représentée à la figure 2, est constituée d'un tube 20, dont une partie est cintrée selon une forme sensiblement circulaire ou elliptique, et supporte un grillage 21. Plus précisément, selon un mode particulier de réalisation, la troisième électrode est semblable à une raquette dont le cadre est constitué par le tube 20, et sur lequel est fixé, comme un tamis, le grillage 21. Les deux extrémités du tube 20 sont placées parallèlement l'une à l'autre et coudées de façon que le grillage se trouve parallèle à la face inférieure de la cathode porte-substrat 8, soit perpendiculaire à l'axe vertical du dispositif, et maintenu, par les extrémités verticales du tube 20, au niveau de leur passage étanche au travers du couvercle 17.Une particularité de la troisième électrode 9 est qu'elle est refroidie par circulation d'eau dans le tube 20.  In accordance with the invention, the third electrode 9, shown in FIG. 2, consists of a tube 20, part of which is bent in a substantially circular or elliptical shape, and supports a grid 21. More precisely, in a mode particular embodiment, the third electrode is similar to a racket whose frame is constituted by the tube 20, and on which is fixed, like a sieve, the mesh 21. The two ends of the tube 20 are placed parallel to one 'other and angled so that the mesh is parallel to the underside of the substrate-carrying cathode 8, is perpendicular to the vertical axis of the device, and held, by the vertical ends of the tube 20, at their passage tight through the cover 17. A particular feature of the third electrode 9 is that it is cooled by circulation of water in the tube 20.

La fonction de cette troisième électrode 9 est de capter les électrons circulant dans le plasma et d'éviter leur dispersion sur les parois de l'enceinte, qui pourrait se produire au détriment de la concentration du plasma. Il est rappelé que la concentration du plasma est également favorisée par le champ magnétique produit par les solénoïdes 12, 13, et que l'écran 15 participe à la non-dispersion des ions attirés par la cathode 8. The function of this third electrode 9 is to capture the electrons circulating in the plasma and to avoid their dispersion on the walls of the enclosure, which could occur to the detriment of the concentration of the plasma. It is recalled that the concentration of the plasma is also favored by the magnetic field produced by the solenoids 12, 13, and that the screen 15 participates in the non-dispersion of the ions attracted by the cathode 8.

L'écran mobile 16 évite, d'une part, le passage d'ions
Titane vers la cathode 8, lorsque l'on veut arrêter la projection de Titane, et d'autre part, la pollution du titane par des particules provenant du plasma, lorsque le bombardement électronique du titane est interrompu.
The mobile screen 16 prevents, on the one hand, the passage of ions
Titanium towards cathode 8, when one wants to stop the projection of Titanium, and on the other hand, the pollution of titanium by particles coming from plasma, when the electronic bombardment of titanium is interrupted.

On va maintenant décrire un cycle typique de dépôt des couches dures composites conformément au procédé objet de l'invention. We will now describe a typical deposition cycle of the hard composite layers in accordance with the process which is the subject of the invention.

Après mise en place du substrat sur le porte-substrat 8, et mise en place du titane dans son dispositif d'évaporation, on ferme hermétiquement l'enceinte 1, et on y fait un vide initial poussé (environ 6,5.10 5 Pa). on introduit un gaz inerte, de préférence de l'argon, sous une pression d'environ 0,65 Pa. On effectue alors une décharge dans l'argon sous une tension de 3 000 V, c'est-à-dire que la cathode porte-substrat 8 est polarisée à - 3 000 V par rapport à la masse de l'enceinte, et avec une intensité de 50 mA. Ceci a pour effet de bombarder la surface du substrat par des ions Ar ayant une énergie de 1 à 3 KeV, et, ainsi, de nettoyer celui-ci pour préparer sa surface au dépôt. After placing the substrate on the substrate holder 8, and placing the titanium in its evaporation device, the enclosure 1 is hermetically closed, and a high initial vacuum is created there (about 6.5 × 10 5 Pa) . an inert gas, preferably argon, is introduced under a pressure of approximately 0.65 Pa. A discharge is then carried out in the argon at a voltage of 3000 V, that is to say that the substrate holder cathode 8 is polarized at -3,000 V relative to the mass of the enclosure, and with an intensity of 50 mA. This has the effect of bombarding the surface of the substrate with Ar ions having an energy of 1 to 3 KeV, and thus of cleaning it to prepare its surface for deposition.

On vaporise le titane contenu dans le dispositif d'évaporation 3 par bombardement d'électrons émis par le canon à électrons 5, et l'écran mobile 16 étant rétracté, il se forme un dépôt de Ti sur le substrat. Ce dépôt peut être plus ou moins accentué par le bombardement simultané d'ions Ar+. De même, on règle l'épaisseur de la couche de Titane pur, en faisant varier la durée du dépôt. The titanium contained in the evaporation device 3 is vaporized by electron bombardment emitted by the electron gun 5, and the movable screen 16 being retracted, a deposit of Ti is formed on the substrate. This deposit can be more or less accentuated by the simultaneous bombardment of Ar + ions. Likewise, the thickness of the layer of pure titanium is adjusted, by varying the duration of the deposition.

En maintenant la vaporisation du titane, on remplace progressivement l'argon par de l'azote, et on poursuit sle dépôt qui est alors un dépôt de TiN, sous une pression d'azote de 6,5.1O2 à 0,13 Pa, et une tension de décharge de 2 000 V avec un courant de décharge de 250 mA. Pendant le dépôt, la cathode porte-substrat est refroidie pour maintenir la température du substrat à 3000 C. Du fait de la variation progressive des paramètres, en particulier des pressions des différents gaz, il n'y a pas d'interface net entre deux couches superposées, mais une variation progressive de composition, ce qui est un important facteur d'adhérence des différentes couches. By maintaining the vaporization of the titanium, the argon is gradually replaced by nitrogen, and the deposition is continued, which is then a deposition of TiN, under a nitrogen pressure of 6.5.1O2 at 0.13 Pa, and a discharge voltage of 2000 V with a discharge current of 250 mA. During the deposition, the substrate-carrying cathode is cooled to maintain the temperature of the substrate at 3000 C. Due to the gradual variation of the parameters, in particular the pressures of the different gases, there is no clear interface between two overlapping layers, but a gradual variation in composition, which is an important factor in the adhesion of the different layers.

Ensuite, on réduit progressivement la pression d'azote et simultanément on alimente le dispositif en benzène en augmentant progressivement sa pression, tout en maintenant constante l'évaporation du titane. On passe ainsi progressivement de la couche de nitrure de titane à celle de carbure, par création d'une couche de carbonitrure. Then, the nitrogen pressure is gradually reduced and simultaneously the device is supplied with benzene by gradually increasing its pressure, while keeping the evaporation of the titanium constant. This progresses gradually from the layer of titanium nitride to that of carbide, by creating a layer of carbonitride.

On arrête ensuite l'évaporation de titane, simultanément à la fermeture de l'amenée d'azote, le dispositif continuant à être alimenté en benzène sous une pression de 6,5.10-2 Pa. On effectue alors le dépôt de i-carbone sous une tension de 1 000 V avec un courant de décharge de 40 mA. La température du substrat est maintenue au maximum à 2000 C. The evaporation of titanium is then stopped, simultaneously with the closing of the nitrogen supply, the device continuing to be supplied with benzene at a pressure of 6.5 × 10 -2 Pa. The i-carbon is then deposited under a voltage of 1000 V with a discharge current of 40 mA. The substrate temperature is kept at a maximum of 2000 C.

Le cycle se termine par l'arrêt de la décharge, de l'alimentation en benzène, le retour à la pression atmospnérique et la dépose du substrat
Comme on le voit dans la description qui vient d'être faite, la couche de transition de carbonitrure de titane a une concentration en azote décroissant régulièrement, et une concentration en carbone croissant en partant de la couche de nitrure de titane, vers la couche de carbone.
The cycle ends with the cessation of the discharge, the supply of benzene, the return to atmospheric pressure and the removal of the substrate.
As can be seen in the description which has just been made, the transition layer of titanium carbonitride has a concentration of nitrogen decreasing regularly, and a concentration of carbon increasing from the layer of titanium nitride, towards the layer of carbon.

On peut également omettre l'étape de dépôt de carbonitrure de titane, en passant rapidement de l'alimentation en azote à celle en benzène. Dans ce cas, la formation de la couche intermédiaire de Ti(C,N) se'fait directement par l'implantation d'ions de carbone ou de carbone hydrogéné dans la couche précédemment déposée de TiN. L'énergie des ions est de 0,8 à 3 KeV, et il se forme un mélange atomique assurant la liaison des couches voisines. It is also possible to omit the step of depositing titanium carbonitride, by rapidly switching from the supply of nitrogen to that of benzene. In this case, the intermediate layer of Ti (C, N) is formed directly by implanting carbon ions or hydrogenated carbon in the previously deposited layer of TiN. The energy of the ions is 0.8 to 3 KeV, and an atomic mixture is formed ensuring the connection of the neighboring layers.

Le revêtement multicouches élaboré par dépôt ionique trouve, par ses propriétés de dureté élevée, de. faible coefficient de frottement, et de résistance à la corrosion, son application dans de nombreux domaines, de la mécanique à la médecine ainsi que cela a été décrit précédemment, et également comme couche décorative. Les couches peuvent être élaborées sur des substrats quelconques tels que acier, alliages durs, céramiques, verre, etc.. The multilayer coating produced by ionic deposition has high hardness properties. low coefficient of friction, and resistance to corrosion, its application in many fields, from mechanics to medicine as described above, and also as a decorative layer. The layers can be produced on any substrate such as steel, hard alloys, ceramics, glass, etc.

Typiquement, l'épaisseur des couches est comprise-entre 1 et 20 > um, suivant les paramètres de dépôt. Bien entendu, d'autres épaisseurs peuvent être obtenues, tout en restant dans le cadre de l'invention. De même, le dispositif et le cycle décrit précédemment à titre d'exemple ne sont aucunement limitatifs et les valeurs des pressions, température, tension et intensité sont données à titre d'exemple. Diverses modifications pourront être apportées par l'homme de l'art aux procédé et dispositifs décrits ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications.  Typically, the thickness of the layers is between 1 and 20> μm, depending on the deposition parameters. Of course, other thicknesses can be obtained, while remaining within the scope of the invention. Likewise, the device and the cycle described above by way of example are in no way limiting and the values of the pressures, temperature, voltage and intensity are given by way of example. Various modifications may be made by those skilled in the art to the methods and devices described above without departing from the scope of the invention defined by the claims.

Claims (11)

REVENDICATIONS 1. Revêtement dur multicouches élaboré par dépôt ionique sur la surface d'un substrat, comprenant une couche de nitrure de titane, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, sur la couche de nitrure de titane, d'abord une couche de transition de carbonitrure de titane, puis une couche de finition de i-carbone. 1. Hard multilayer coating produced by ionic deposition on the surface of a substrate, comprising a layer of titanium nitride, characterized in that it further comprises, on the layer of titanium nitride, firstly a layer of transition from titanium carbonitride, then a top coat of i-carbon. 2. Revêtement dur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de transition de carbonitrure de titane a une concentration en azote décroissant régulièrement et une concentration en carbone croissant, en partant de la couche de nitrure de titane vers la couche de i-carbone. 2. Hard coating according to claim 1, characterized in that the transition layer of titanium carbonitride has a concentration of nitrogen decreasing steadily and a concentration of carbon increasing, starting from the layer of titanium nitride towards the layer of i- carbon. 3. Revêtement dur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une couche de titane déposée entre le substrat et la couche de nitrure de titane. 3. Hard coating according to one of claims 1 and 2, characterized in that it further comprises a layer of titanium deposited between the substrate and the layer of titanium nitride. 4. Procédé d'élaboration d'un revêtement dur multicouches par dépôt ionique comprenant le dépôt, sur la surface d'un substrat, d'une couche de nitrure de titane, caractérisé en ce que l'on effectue ensuite, sur la couche de nitrure de titane, le dépôt ionique d'une couche de carbonitrure de titane, puis d'une couche de i-carbone. 4. A process for the preparation of a multilayer hard coating by ionic deposition comprising the deposition, on the surface of a substrate, of a layer of titanium nitride, characterized in that the layer of titanium nitride, the ionic deposition of a layer of titanium carbonitride, then of a layer of i-carbon. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on effectue préalablement au dépôt de la couche de nitrure de titane, un dépôt ionique d'une couche de titane pur directement sur la surface du substrat. 5. Method according to claim 4, characterized in that, prior to the deposition of the titanium nitride layer, an ionic deposition of a layer of pure titanium is carried out directly on the surface of the substrate. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'on effectue successivement 6. Method according to one of claims 4 and 5, characterized in that one successively performs - le nettoyage du substrat par bombardement ionique obtenu par décharge dans un gaz inerte1 - cleaning of the substrate by ion bombardment obtained by discharge in an inert gas1 - le dépôt de la couche de titane par évaporation du titane en maintenant la décharge, - deposition of the titanium layer by evaporation of the titanium while maintaining the discharge, - le dépôt de la couche de nitrure de titane par remplacement progressif du gaz inerte par de l'azote, - the deposition of the titanium nitride layer by gradual replacement of the inert gas with nitrogen, - le dépôt de la couche de transition de carbonitrure de titane par remplacement progressif de l'azote par un hydrocarbure,  - the deposition of the titanium carbonitride transition layer by gradual replacement of nitrogen with a hydrocarbon, - le dépôt de la couche de i-carbone par arrêt de l'évaporation de titane et suppression de l'azote, et poursuite de la décharge dans l'hydrocarbure. - The deposition of the i-carbon layer by stopping the evaporation of titanium and removing nitrogen, and continuing the discharge in the hydrocarbon. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'à la fin du dépôt de nitrure de titane, on procède rapidement au remplacement de l'azote par un hydrocarbure, de sorte que la couche de transition de carbonitrure de titane est formée directement par l'implantation d'ions de carbone ou de carbone hydrogéné émanant de l'hydrocarbure, sur la couche de nitrure de titane. 7. Method according to claim 6, characterized in that at the end of the titanium nitride deposition, the nitrogen is quickly replaced by a hydrocarbon, so that the transition layer of titanium carbonitride is formed directly by implanting carbon ions or hydrogenated carbon emanating from the hydrocarbon, on the layer of titanium nitride. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le gaz inerte est de l'argon et que l'hydrocarbure est du benzène. 8. Method according to one of claims 6 and 7, characterized in that the inert gas is argon and that the hydrocarbon is benzene. 9. Procédé selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'on maintient la température du substrat à 3000 C environ pendant le dépôt de nitrure de titane et à 2000 C environ pendant le dépôt de i-carbone. 9. Method according to one of claims 4 to 8, characterized in that the temperature of the substrate is maintained at approximately 3000 C during the deposition of titanium nitride and at approximately 2000 C during the deposition of i-carbon. 10. Dispositif de dépot ionique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 4 à 8, comprenant une enceinte étanche (1) comportant un couvercle (17), et dans laquelle sont placés : une cathode porte-substrat (3), entourée d'un écran (15), un dispositif d'évaporation du titane (3) comportant un canon à électrons (5), des moyens d'alimentation en gaz (10, 11), un écran mobile rétractable (16) situé au-dessus du dispositif d'évaporation du titane (3), et des orifices (6, 7) reliés à une pompe à vide, caractérisé en ce que l'enceinte (1) est constituée de deux chambres (18, 19) superposées séparées par une cloison intermédiaire (2), chaque chambre comporte un orifice (6, 7), relié à une pompe à vide, le canon à électrons (5) est disposé au niveau de la platine intermédiaire (2), la chambre supérieure (18) est pourvue sur sa périphérie de solénoïdes (12, 13), un filament de tungstène (14) chauffé par effet Joule est placé entre la cathode porte-substrat (8) et l'écran mobile (16), et une troisième électrode (9) polarisée positivement est placée au-dessus dudit filament (14) et sous ladite cathode (8). 10. Ion deposition device for implementing the method according to one of claims 4 to 8, comprising a sealed enclosure (1) comprising a cover (17), and in which are placed: a substrate-carrying cathode (3 ), surrounded by a screen (15), a titanium evaporation device (3) comprising an electron gun (5), gas supply means (10, 11), a retractable movable screen (16) located above the titanium evaporation device (3), and the orifices (6, 7) connected to a vacuum pump, characterized in that the enclosure (1) consists of two chambers (18, 19) superimposed separated by an intermediate partition (2), each chamber has an orifice (6, 7), connected to a vacuum pump, the electron gun (5) is arranged at the level of the intermediate plate (2), the upper chamber (18) is provided on its periphery with solenoids (12, 13), a tungsten filament (14) heated by Joule effect is placed between the substrate-carrying cathode (8) and the screen m obile (16), and a third positively polarized electrode (9) is placed above said filament (14) and under said cathode (8). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la troisième électrode (9) est constituée d'un tube (20) dont une partie est cintrée et supporte un grillage (21) disposé parallelement à la face inférieure de la cathode porte-substrat et que ladite troisième électrode est refroidie par circulation d'eau dans ledit tube.  11. Device according to claim 10, characterized in that the third electrode (9) consists of a tube (20) of which a part is curved and supports a grid (21) arranged parallel to the underside of the cathode holder substrate and that said third electrode is cooled by circulation of water in said tube.
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